KR20200008398A - 전기적 동력 인출 장치 및 이를 이용한 동력 인출 방법 - Google Patents

전기적 동력 인출 장치 및 이를 이용한 동력 인출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 위상 천이 제어를 통해 각각의 기능유닛에 제공되는 출력전력을 제어할 수 있고, 영전류 스위칭을 통해 전력 공급 효율을 증대시키는 장치를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기적 동력 인출 장치는, 차량에 구비되는 배터리; 배터리와 연결되고, 배터리로부터 공급되는 공급전류를 구형파 펄스 파형의 펄스전류로 변환하는 컨버터부; 컨버터부와 연결되어 펄스전류를 공진전류로 변환시키는 발진부; 공진회로부와 연결되고 공진전류를 교류전류로 변환시키는 변압부; 및 변압부와 연결되어 교류전류를 직류 전류인 출력전류로 변환시켜 차량에 결합된 기능유닛에 출력전류를 공급하는 정류부;를 포함한다.

Description

전기적 동력 인출 장치 및 이를 이용한 동력 인출 방법 {APPARATUS FOR ELECTRIC POWER TAKE-OFF AND METHDO FOR TAKING POWER OFF USING THE SAME}
본 발명은 전기적 동력 인출 장치 및 이를 이용한 동력 인출 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 위상 천이 제어를 통해 각각의 기능유닛에 제공되는 출력전력을 제어할 수 있고, 영전류 스위칭을 통해 전력 공급 효율을 증대시키는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에 적용되는 전기적 동력 인출 장치(EPTO: Electirc Power Take Off)는 차량의 배터리를 차량의 주행 외에 다른 용도로 이용하기 위한 것이다. 예를 들어, 농약분무기, 급수장비(이하 '기능유닛'이라 한다)가 구비된 농업용 차량에 있어서, 전기동력인출장치는 농업용 차량의 배터리로부터 기능유닛에 전력을 제공하는데 사용된다.
그러나, 종래의 전기적 동력 인출 장치는, 종래의 전기적 동력 인출 장치는 기능유닛에 전력을 제공할 때, 각 기능유닛에 적합한 전원을 수동으로 입력하여 전원을 변환하여 제공해야 했기 때문에 기능유닛을 연결하여 사용하는데 많은 시간이 소요되며, 효율이 저하되는 문제가 있다.
즉, 여러 기능유닛을 교체할 때, 각 기능유닛에 대응되는 전원을 일일이 입력해야 했기 때문에 기능유닛의 교체시 시간이 지체되고, 작업 능률이 떨어지는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10- 2013-0061965호(발명의 명칭: 차량용 저전압 직류전원변환장치)에서는, 사전에 설정된 출력전압지령값과 내장된 출력전압제어모듈의 PWM 스위칭신호를 생성하여 출력하는 LDC제어기; 및 상기 LDC제어기로부터 입력된 PWM 스위칭신호에 의해 스위칭되는 복수 개의 전력반도체 스위칭소자들을 이용하여 외부로부터 입력된 직류 저전압을 직류 고전압으로 변환하는 1차측 모스펫부;를 포함하는 직류전원변환장치가 개시되어 있다.
대한민국 공개특허 제10- 2013-0061965호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 배터리로부터 제공되는 전력이 각각의 기능유닛에 적합하게 제어되도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 차량에 구비되는 배터리; 상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리로부터 공급되는 공급전류를 구형파 펄스 파형의 펄스전류로 변환하는 컨버터부; 상기 컨버터부와 연결되어 상기 펄스전류를 공진전류로 변환시키는 발진부; 상기 공진회로부와 연결되고 상기 공진전류를 교류전류로 변환시키는 변압부; 및 상기 변압부와 연결되어 상기 교류전류를 직류 전류인 출력전류로 변환시켜 상기 차량에 결합된 기능유닛에 상기 출력전류를 공급하는 정류부;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 컨버터부는 제1 내지 제4스위치소자를 구비하는 풀브릿지(Full Bridge)회로일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1 내지 제4스위치소자는 모스펫(MOSFET) 트랜지스터로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3스위치소자 및 상기 제4스위치소자에 연결되고, 상기 제3스위치소자 및 상기 제4스위치소자의 위상 천이를 제어하여, 상기 출력전압을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 변압부는 절연형 변압기로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 차량의 주행 중 상기 배터리에 충전을 수행하는 파워팩을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 파워팩은, 상기 차량에 설치되는 엔진, 및 상기 엔진과 결합하고 상기 엔진의 구동에 의해 발전을 수행하는 발전기,를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 외부의 교류 전류인 외부교류전류를 제공 받아 직류로 변환하여 배터리를 충전시키는 배터리충전부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, i) 상기 차량에 상기 기능유닛이 결합하는 단계; ii) 상기 제어부에서 상기 기능유닛의 종류를 식별하는 단계; iii) 상기 제어부가 상기 제3스위치소자 및 상기 제4스위치소자의 위상 천이를 제어하는 단계; 및 iv) 상기 출력전류가 생성되어 상기 기능유닛에 제공되는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 위상 천이 제어를 통해 각각의 기능유닛에 제공되는 출력전력을 제어할 수 있고, 영전류 스위칭을 통해 전력 공급 효율을 증대시킨다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 상대적으로 낮은 배터리의 전압 전력을 이용하여 기능유닛에 적합한 출력전력이 공급되도록 자동 제어를 수행할 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기적 동력 인출 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기적 동력 인출 장치의 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펄스전류의 위상을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 펄스전류의 위상을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기적 동력 인출 장치의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기적 동력 인출 장치의 회로 구성도이다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 전기적 동력 인출 장치는, 차량에 구비되는 배터리(200); 배터리(200)와 연결되고, 배터리(200)로부터 공급되는 공급전류를 구형파 펄스 파형의 펄스전류로 변환하는 컨버터부(110); 컨버터부(110)와 연결되어 펄스전류를 공진전류로 변환시키는 발진부(120); 공진회로부와 연결되고 공진전류를 교류전류로 변환시키는 변압부(130); 및 변압부(130)와 연결되어 교류전류를 직류 전류인 출력전류로 변환시켜 차량에 결합된 기능유닛(500)에 출력전류를 공급하는 정류부(140);를 포함한다.
여기서, 기능유닛(500)이라 함은, 농기계의 전장화로 인한 장치들로써 농약분무기, 급수장비, 농업용 차량과 결합한 로봇 등을 의미할 수 있다. 그리고, 컨버터부(110), 발진부(120), 변압부(130) 및 정류부(140)는 회로모듈(100)을 구성할 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 컨버터부(110)는 제1 내지 제4스위치소자를 구비하는 풀브릿지(Full Bridge)회로일 수 있다.
풀브릿지(Full Bridge)회로인 컨버터부(110)는 전원인 배터리(200)에 연결되고, 제1 스위치소자(Q1)는 배터리(200)의 일 단자와 a노드 사이에 연결되고, 제2스위치소자(Q2)는 a노드와 배터리(200)의 타 단자 사이에 연결되며, 제4 스위치소자(Q4)는 배터리(200)의 일 단자와 b노드 사이에 연결되고, 제3 스위치소자(Q3)는 배터리(200)의 타 단자와 b 노드 사이에 연결될 수 있다. 그리고, 제1 내지 제4스위치소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 스위칭 동작에 따라 직류 전원인 배터리(200)의 전류인 공급전류를 구형파 펄스 파형으로 변환할 수 있다.
발진부(120)의 제1발진부(120)단자(c1)는 a노드와 연결되고, 발진부(120)의 제2발진부(120)단자(c2)는 b노드와 연결될 수 있으며, 발진부(120)의 제3발진부(120)단자(c3)와 제4발진부(120)단자(c4)는 변압부(130)와 연결될 수 있다.
발진부(120)는 공진회로를 구비할 수 있으며, 발진부(120)에서의 공진에 의해 발진부(120)로 전달된 펄스전류는 공진전류로 변환되고, 공전전류가 변압부(130)를 통과하면 승압되어 정류부(140)로 전달되며, 공진전류는 정류부(140)를 통과하면서 직류전류인 출력전류로 변환되어 기능유닛(500)에 전달되어 기능유닛(500)을 구동시킬 수 있다.
변압부(130)는 절연형 변압기로 형성될 수 있다. 이에 따라, 변압부(130)로 비 절연형 변압기를 이용하는 경우와 비교하여, 변압부(130)로 절연형 변압기로 이용하는 본 발명의 전기적 동력 인출 장치에서 상대적으로 높은 승압비를 구현할 수 있다.
제1 내지 제4스위치소자는 모스펫(MOSFET) 트랜지스터로 형성될 수 있다. 이에 따라, 모스펫(MOSFET) 트랜지스터는 게이트를 통하여 흐르는 직류전압을 방지하는 게이트와 채널사이의 산화층으로 더욱 전력소비를 감소시키고 입력 임피던스를 크게 할 수 있으므로, 본 발명의 전기적 동력 인출 장치의 효율을 증대시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 펄스전류의 위상을 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 3에서, A그래프는 제1 스위치소자(Q1)의 펄스 파형에 대한 그래프이고, B그래프는 제2 스위치소자(Q2)의 펄스 파형에 대한 그래프이며, C그래프는 제3 스위치소자(Q3)의 펄스 파형에 대한 그래프이고, D그래프는 제4 스위치소자(Q4)의 펄스 파형에 대한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 펄스전류의 위상을 나타낸 그래프이다. 그리고, A'그래프는 제1 스위치소자(Q1)의 펄스 파형에 대한 그래프이고, B'그래프는 제2 스위치소자(Q2)의 펄스 파형에 대한 그래프이며, C'그래프는 제3 스위치소자(Q3)의 펄스 파형에 대한 그래프이고, D'그래프는 제4 스위치소자(Q4)의 펄스 파형에 대한 그래프이다.
도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 제3스위치소자(Q3) 및 제4스위치소자(Q4)에 연결되고, 제3스위치소자(Q3) 및 제4스위치소자(Q4)의 위상 천이를 제어하여, 출력전압을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
컨버터부(110)에서 제1 스위치소자(Q1)와 제4 스위치소자(Q4)가 동시에 ON되었을 때 발진부(120)에 전류가 흐르게 되고, 제2 스위치소자(Q2)와 제3 스위치소자(Q3)가 동시에 ON되었을 때 발진부(120)에 전류가 흐르게 될 수 있다. 여기서, 제1 스위치소자(Q1)와 제2 스위치소자(Q2)는 동시에 켜지면 안되기 때문에 위상이 항상 반대이고 제3 스위치소자(Q3)와 제4 스위치소자(Q4)의 관계도 마찬가지이다.
여기서, 제3 스위치소자(Q3)와 제4 스위치소자(Q4)의 위상을 제어하면 제4 스위치소자(Q4)가 제1 스위치소자(Q1)와 겹쳐 전류가 흐르는 시간과 제3 스위치소자(Q3)가 제2 스위치소자(Q2)와 겹쳐 전류가 흐르는 시간이 조절될 수 있으며, 이와 같은 위상 천이에 의해 겹치는 시간이 많을수록 발진부(120) 쪽으로 전류가 많이 흐르게 될 수 있다. 이와 같이 발진부(120)를 통과하는 전류의 양을 제어함으로써, 결과적으로 출력전류의 양을 제어하여 출력되는 전력을 제어할 수 있다.
그리고, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 상기와 같은 스위칭 동작에 의하여 영전류 스위칭(Zero Current Switching)이 구현되며, 이에 따라, 변압부(130)에서의 상대적으로 높은 승압비에 의한 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
제어부는 제3 스위치소자(Q3) 및 제4 스위치소자(Q4)의 ON 시간을 제어하여 제3 스위치소자(Q3) 및 제4 스위치소자(Q4)에 대한 위상 천이 제어를 수행할 수 있다. 이의 원리에 대한 사항은 공지기술로써 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 상대적으로 위상 천이가 작아 공진전류(a1)가 상대적으로 작게 형성된 것을 나타내고, 도 4는 상대적으로 위상 천이가 커 공진전류(a2)가 상대적으로 크게 형성된 것을 나타낼 수 있다. 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 제어부가 제3 스위치소자(Q3) 및 제4 스위치소자(Q4)의 위상 천이를 제어하여 공진전류의 크기를 제어하고, 결과적으로 출력전류의 크기를 제어할 수 있다.
차량에 기능유닛(500)이 결합하는 경우, 제어부는 기능유닛(500)의 식별번호를 파악하여 기능유닛(500)에 적합한 출력전류 값을 판단할 수 있다. 그리고, 출력전류 값에 적합한 공진전류 값을 연산하고, 적합한 공진전류 값이 생성되도록 컨버터부(110)의 제3 스위치소자(Q3) 및 제4 스위치소자(Q4)의 위상 천이를 제어할 수 있다.
이에 따라, 기능유닛(500)의 종류가 변경되더라도 제어부에서 기능유닛(500)의 종류를 판단하고, 기능유닛(500)에 적합한 출력전류를 연산하여 도출된 출력전류를 기능유닛(500)에 제공할 수 있다. 여기서, 기능유닛(500)은 표준전압인 220V로 구동될 수 있고, 이와 같은 표준전압에 의해 구동되는 기능유닛(500)을 제어부에서 식별하는 경우, 표준전압에 적합한 출력전류를 기능유닛(500)으로 제공할 수 있다.
본 발명의 전기적 동력 인출 장치는, 차량의 주행 중 배터리(200)에 충전을 수행하는 파워팩을 더 포함할 수 있다. 여기서, 파워팩은, 차량에 설치되는 엔진(320), 및 엔진(320)과 결합하고 엔진(320)의 구동에 의해 발전을 수행하는 발전기(310),를 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 전기적 동력 인출 장치는, 외부의 교류 전류인 외부교류전류를 제공 받아 직류로 변환하여 배터리(200)를 충전시키는 배터리충전부(400)를 더 포함할 수 있으며, 차량이 정지하여 외부교류전류와 연결되는 경우에는 배터리충전부(400)로부터 배터리(200)로 전력이 공급되어 배터리(200)가 충전될 수 있고, 차량이 운행 중인 경우에는 발전기(310)로부터 배터리(200)로 전력이 공급되어 배터리(200)가 충전될 수 있다.
상기와 같이 기능유닛(500)과 결합할 수 있는 차량에 본 발명의 전기적 동력 인출 장치를 적용할 수 있으므로, 본 발명의 전기적 동력 인출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 농업용 차량을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 전기적 동력 인출 장치를 이용한 동력 인출 방법에 대해 설명하기로 한다.
첫째 단계에서, 차량에 기능유닛(500)이 결합할 수 있다.
둘째 단계에서, 제어부에서 기능유닛(500)의 종류를 식별할 수 있다.
셋째 단계에서, 제어부가 제3스위치소자(Q3) 및 제4스위치소자(Q4)의 위상 천이를 제어할 수 있다.
넷째 단계에서, 출력전류가 생성되어 기능유닛(500)에 제공될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 회로모듈
110 : 컨버터부
120 : 발진부
130 : 변압부
140 : 정류부
200 : 배터리
310 : 발전기
320 : 엔진
400 : 배터리충전부
500 : 기능유닛

Claims (10)

  1. 차량에 구비되는 배터리;
    상기 배터리와 연결되고, 상기 배터리로부터 공급되는 공급전류를 구형파 펄스 파형의 펄스전류로 변환하는 컨버터부;
    상기 컨버터부와 연결되어 상기 펄스전류를 공진전류로 변환시키는 발진부;
    상기 공진회로부와 연결되고 상기 공진전류를 교류전류로 변환시키는 변압부; 및
    상기 변압부와 연결되어 상기 교류전류를 직류 전류인 출력전류로 변환시켜 상기 차량에 결합된 기능유닛에 상기 출력전류를 공급하는 정류부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨버터부는 제1 내지 제4스위치소자를 구비하는 풀브릿지(Full Bridge)회로인 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 내지 제4스위치소자는 모스펫(MOSFET) 트랜지스터로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제3스위치소자 및 상기 제4스위치소자에 연결되고, 상기 제3스위치소자 및 상기 제4스위치소자의 위상 천이를 제어하여, 상기 출력전압을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 변압부는 절연형 변압기로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 차량의 주행 중 상기 배터리에 충전을 수행하는 파워팩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 파워팩은,
    상기 차량에 설치되는 엔진, 및
    상기 엔진과 결합하고 상기 엔진의 구동에 의해 발전을 수행하는 발전기,를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    외부의 교류 전류인 외부교류전류를 제공 받아 직류로 변환하여 배터리를 충전시키는 배터리충전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 선택되는 어느 하나의 항에 의한 전기적 동력 인출 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 농업용 차량.
  10. 청구항 4의 전기적 동력 인출 장치를 이용한 동력 인출 방법에 있어서,
    i) 상기 차량에 상기 기능유닛이 결합하는 단계;
    ii) 상기 제어부에서 상기 기능유닛의 종류를 식별하는 단계;
    iii) 상기 제어부가 상기 제3스위치소자 및 상기 제4스위치소자의 위상 천이를 제어하는 단계; 및
    iv) 상기 출력전류가 생성되어 상기 기능유닛에 제공되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 동력 인출 장치를 이용한 동력 인출 방법.
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